决定多旋翼飞行(háng)器旋翼(yì)个数的(de),就(jiù)是飞(fēi)行器稳定性、几(jǐ)何尺寸和(hé)单发动力性能三者的平衡。
先(xiān)说稳定性的影响。基本上,我们可以认为多旋翼飞行器的稳定性里,八旋翼(yì)>六旋(xuán)翼>四旋翼。原因当然(rán)好(hǎo)解释,对于一个运动特性确定(dìng)的飞(fēi)行器来说(shuō),自然(rán)是能参与控制的量越多(duō),越(yuè)容易得(dé)到好的控(kòng)制效果。四旋翼飞行(háng)器尚且是一个欠驱动系统。六(liù)旋翼飞行器的时候就(jiù)已经是一个完(wán)全驱动系统了。复杂了是(shì)一回事,但是如果能获得比较好的(de)效果(guǒ),也是(shì)值得的。另外(wài)一个不容易注意到的好处(chù)是,旋翼(yì)数(shù)量较多的(de)时候飞行器对于动力(lì)系(xì)统失效的容忍程(chéng)度也会上(shàng)升。毕竟多(duō)发飞行器一台发动机(jī)突然失(shī)效不是很罕见的情况。模型级别的飞行器,射桨(jiǎng)也是(shì)常有的事。在这种情况(kuàng)下,八旋翼和(hé)六旋翼(yì)都可(kě)以承受双发/单发(fā)失效的状况,并且飞行器仍然(rán)可控。而如果是四旋翼(yì)飞行器的话,只要单发(fā)失效,除非旋翼上(shàng)有周(zhōu)期(qī)变距,否则唯一的选择就有摔机(jī)了(le)。
但旋(xuán)翼的数量增加以后,会对飞行器的几何(hé)尺寸带来负面影响。因为旋翼(yì)数多(duō)了,自然每个旋翼(yì)之间的距离也会缩减。四轴(zhóu)飞行器每(měi)隔90度放置一个旋翼,六轴(zhóu)飞行器每(měi)隔(gé)60度放(fàng)置一个旋翼,八轴飞(fēi)行器每隔(gé)45度放置一(yī)个旋翼。假设相同拉(lā)力时几(jǐ)个旋翼的桨盘总面积相同(这个并不准确,但(dàn)可(kě)以作为大概的参考),很容易得出几种结构(gòu)形(xíng)式需(xū)要的旋翼直径。如下表所示:
四旋翼飞(fēi)行器
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六旋翼飞(fēi)行器
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八旋翼飞行(háng)器
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1
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0.8
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0.71
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同样(yàng),多旋翼的旋翼位置在设计时也不能相(xiàng)互干涉(shè)。因(yīn)此也很容易得(dé)出几种(zhǒng)结构形式中旋翼中(zhōng)心距(jù)离飞(fēi)行器几何中心距离。如下表所示:
四旋翼飞行(háng)器(qì)
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六旋翼(yì)飞行器
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八旋翼(yì)飞行器
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1
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1.414
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1.839
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很容易看出来,相比较旋(xuán)翼直径的缩小,旋翼中心(xīn)与飞行器几何中心的距离增加得更(gèng)快。因此(cǐ)很(hěn)不幸的,旋(xuán)翼的数量越多,飞行器的尺(chǐ)寸也就会做得(dé)越大。而且,旋(xuán)翼越多(duō),多旋翼(yì)飞行器的折叠收纳就越是问题。六旋翼尚(shàng)且可以折叠,八旋翼就一点办法也没有。即使是简单的拆掉旋翼支臂,旋翼数越多在现(xiàn)场(chǎng)组装需要花的时间也就越多。而且,由于多旋翼(yì)飞行器有旋翼安装(zhuāng)顺(shùn)序(xù)的要求。要安装的旋翼越多就意味着潜藏的出错(cuò)可能越高。也因此,诸如军队等地方实(shí)际使(shǐ)用(yòng)的(de)多旋翼飞行(háng)器,几乎无(wú)例外都(dōu)是四旋翼的(de)形式。但如果(guǒ)你可以使(shǐ)用(yòng)的动(dòng)力组合单发动(dòng)力性能有限,使(shǐ)用四(sì)轴的构型根本无(wú)法把设计起飞重量飞起来的话,就要增加旋翼(yì)个数。
说到这里,可能会有(yǒu)人说:不是有那种上(shàng)下叠层的多旋翼(yì)飞行(háng)器(qì)么?就是在一个支臂上同时放(fàng)置一组(zǔ)共轴反(fǎn)桨(jiǎng)的动力组,这样的话不就(jiù)可以做到旋翼个(gè)数增(zēng)加(jiā),却不增加飞行器(qì)尺寸的(de)效果么?如同下面的这(zhè)种形式:
这个点子看起来(lái)不错。但有个重要(yào)的缺点是,共轴反桨的那上下一对(duì)旋(xuán)翼的气流会(huì)相互干扰,从(cóng)而影(yǐng)响这一对动力组合的效率。简单地说,就会导致(zhì)这一(yī)对(duì)旋翼(yì)的(de)拉力不是1+1 = 2,而(ér)是1+1 < 2的糟糕结果。至于(yú)具体会损失多少,大(dà)约是20%的样子。因(yīn)此这么算(suàn)下来的话,其实这种构(gòu)型能获得的提升很有限,还(hái)增加了结(jié)构的复杂程度。所以除非对飞(fēi)行器尺寸(cùn)有很严格(gé)的要求,一(yī)般很少会采用这(zhè)样(yàng)的设计方式。这个点子(zǐ)看起来不错。但有个重要的缺点是,共轴反(fǎn)桨(jiǎng)的那上(shàng)下一(yī)对旋翼的气流会相互干扰,从而影响这一对动力组合的效率(lǜ)。
简单地说(shuō),就会导(dǎo)致这(zhè)一对旋翼的拉力不是1+1 = 2,而是1+1 < 2的(de)糟糕结(jié)果(guǒ)。至于具(jù)体会(huì)损失多少(shǎo),大约是(shì)20%的样子。因此(cǐ)这么算下来(lái)的话,其实这种构型能获得的提升很有限(xiàn),还增(zēng)加了结构的复杂程度。所以除非(fēi)对飞行器尺寸有很(hěn)严格(gé)的要求,一般很(hěn)少(shǎo)会采用这样的设(shè)计(jì)方(fāng)式。 (稿源:南京(jīng)领航无人机)

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